Дрон с клетка на Фарадей задейства и насочва мълнии. Ще може ли да се използва енергията им?

За първи път в света японски изследователи управляват специално конструиран дрон за гръмотевични бури, използвайки го за предизвикване и насочване на естествени мълнии. Сега екипът работи върху това как този летящ гръмоотвод може да улови и съхрани енергията на мълниите.

Вероятно няма да се изненадате, че има немалко енергия в една средна мълния - Real Clear Science я изчислява около милиард джаула. Това означава около 278 киловатчаса, или достатъчно, за да се зареди електрическият седан Hyundai Ioniq 6 почти шест пъти. Има около 1,4 милиарда мълнии всяка година в световен мащаб, или около 44 всяка секунда, което представлява около 383,6 тераватчаса електричество, изстреляно безплатно от небето. Това е близо 1,5% от световното потребление на електроенергия (при нива от 2023 г.) – и доста приличен ресурс, ако може да се улови.

Но не ви съветваме да опитате - въздухът около една типична мълния (дебела колкото 2 см, дълга 3-5 км) се нагрява до около пет пъти температурата от повърхността на Слънцето. Около 240 000 души са удряни от мълния годишно, според някои оценки, и въпреки че 90% от тях оцеляват, това със сигурност не е приятно преживяване. И това е само човешката цена – имуществените щети от мълнии са салидна застрахователна тежест.

В Япония тази стойност варира от 0,7 до 1,5 милиарда щатски долара годишно. Японската телекомуникационна компания NTT притежава голяма част от инфраструктурата, изложена на този вид щети, и затова има екип, който работи върху това как да смекчи или предотврати щетите от мълнии, особено на места, където традиционните гръмоотводи са трудни за инсталиране.

Екипът на NTT демонстрира забележително решение под формата на мултикоптер дрон, който изглежда абсолютно странно:

"Устойчивият на мълнии" експериментален дрон със сигурност не изглежда сериозно. Кредит: NTT

Важните части, които отделят тази машина от стандартния индустриален квадрокоптер, са:

• "Устойчива на мълнии" метална клетка на Фарадей, която пренасочва светкавицата около дрона, когато бъде ударен, и насочва този масивен ток радиално, за да елиминира силните ефекти на магнитното поле, които могат да бъдат генерирани.
• Проводим заземяващ проводник с дължина повече от 300 метра, с превключвател за високо напрежение в долната част.
• Комплект гръмоотводи, подобни на шипове на антена, стърчащи отгоре, вероятно предназначени да увеличат максимално вероятността за чист удар на мълния и да го насочат чисто през клетката към заземяващия проводник.

Дизайнът на "мълниеустойчивата" клетка насочва големиte енергийни пикове около самия дрон, използвайки радиалните токови потоци, за да елиминира потенциалните ефекти на магнитното поле. Кредит: NTT

Свързването на заземяващия проводник причинява силно изкривяване на електрическото поле около дрона и предизвиква светкавици от облаците отгоре. Кредит: NTT

Ето как работи експериментът: екипът на NTT изчака подходяща гръмотевична буря. Когато напрегнатостта на електрическото поле на нивото на земята показва, че има вероятност скоро да удари мълния, изстрелват дрона, издигат го до надморска височина от 300 м и го задържаха там с изключен заземяващ проводник, оставяйки го в интензивното електрическо поле на гръмотевичната буря и създавайки голяма разлика в заряда между дрона отгоре и незаземения проводник отдолу.

Експерименталната постановка. Дронът е свързан чрез макара към лебедка, свързана чрез превключвател към клема за заземяване с ниско съпротивление. Над лебедката е изобразено устройство, което измерва електрическите полета. Кредит: NTT

Когато натиснат превключвателя, този заряд изведнъж намери много лесен път към земята. Генерира се напрежение от повече от 2000 волта между жицата и земята, което създава мощни колебания на електрическото поле във въздуха около дрона.

Това успешно предизвиква удар от мълния от буреносния облак отгоре, който частично разтопява клетката на Фарадей около дрона. Екипът наблюдава сини проблясъци на светкавици и "пукащи звуци" от лебедката на нивото на земята – но дронът остава стабилен и във въздуха през цялото време.

Сини проблясъци на електричество от наземната лебедка, уловени от разстояние. Ще трябва да си представите сами пукащите звуци. Кредит: NTT

Екипът на NTT твърди, че това е "първият път в света, когато дрон е успял да предизвика и насочи мълния, използвайки флуктуации на електрическото поле". Те се надяват да развият тази технология за летящ гръмоотвод в система, която може да бъде развита за защита на градове и инфраструктура от удари на мълнии – особено структури като открити стадиони и вятърни турбини, които не могат лесно да бъдат защитени чрез интегриране на гръмоотводи в тяхната конструкция.

Улавяне на мълния като чист източник на околна енергия

Екипът на NTT смята също така да се опита да запази енергията в тези удари на мълнии.

"Освен това", гласи съобщение за пресата, "ние също така ще работим върху изследване и разработване на методи за съхраняване на енергията на мълниите, с цел използване на енергията от индуцирана мълния."

Потенциално (но много малко вероятно) бъдещо развитие на идеята ще бъде система от множество дронове в конфигурация на рояк, която ще изпраща мълнии надолу към земята на няколко етапа, след което да съхрани енергията. Кредит: NTT

Свързаните с това проблеми трябва да са доста очевидни - докато най-мощните в света устройства за бързо зареждане на електрически коли могат да заредят напълно батерия от нула в рамките на няколко минути, удар от мълния мигновено доставя няколко пъти повече енергия по заземяващия проводник.

Едва ли ще можете да натъпчите цялата тази енергия в литиева батерия наведнъж, освен ако не се търси скъпо и шумно шоу с фойерверки. Може би голяма група от ултракондензатори с изключително висока мощност може да се справи с този вид бедствие – но те са толкова по-големи и по-тежки от литиевите батерии на ватчас енергиен капацитет, че вероятно ще трябват още едно или две полуремаркета.

Това би било наистина неприятно като технология, която наистина трябва да бъде преносима до известна степен. Ако пък не е преносима, просто ще си седи и няма да прави нищо през по-голямата част от времето, когато няма гръмотевична буря непосредствено над нея.

Не може лесно да се укроти енергията на мълнията направо в електрическата мрежа. Мрежите са изградени за относително плавно, стабилно предаване на енергия, а не за справяне с мигновени пикове на мощността при повече от 100 милиона волта и 30 000 ампера.

Ако приемем, че предавателните проводници не са се нагрели и не са се изпарили достатъчно бързо, за да предотвратят по-големи щети, със сигурност ще се взривят поне няколко трансформатора. Те обикновено са пълни с маслена охлаждаща течност, която ги превръща във впечатляващи огнени бомби, когато избухнат – има много забавни видеоклипове в YouTube, показващи как изглежда това:

Мълния удря трансформатор

Така че, ако изследователите от NTT сериозно искат да разберат как да съхранят енергията на мълния и да я използват като източник на чиста енергия, ще имат нужда от някаква гигантска буферна система, която може да улови такъв огромен мигновен енергиен скок и след това да го захрани капково в система за съхранение или в самата мрежа по по-цивилизован начин.

И все пак, летящият гръмоотвод, който те са проектирали и тествали, е достатъчно впечатляващ сам по себе си и със сигурност може да намери приложения за защита на различни видове инфраструктура.

Източник: Faraday-caged drone triggers and directs lightning strikes, Loz Blain, New Atlas

Още по темата

22/06/2023

Земята

2600 мълнии в минута - рекордът на вулкана Хунга в Тонга в най-голямата гръмотевична буря

17/01/2023

Физика

Лазер може да отклони мълния. Потвърдено експериментално (видео)

25/11/2022

Земята

Физици разрешават 50-годишна загадка, свързана с мълниите

09/05/2016

Медицина

Какво става с тяло ни, когато ни удари мълния